射流-横向流相互干涉下旋涡的形成与衰减

射流-横向流干涉流场中存在三种不同的涡运动:附着涡,尾迹涡和剪切涡。本文利用荧光丝和七孔探针作为流场观测手段,研究了干涉流场中涡的形成机理及其相互干扰。此外,文中还分析讨论了影响流向涡的发展和衰减的主要因素。     

圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱跨声速绕流中的激波/湍流相互作用问题,来流马赫数M∞取为0.75,基于圆柱直径D的雷诺数为2×105。计算结果表明,圆柱分离点处出现一道斜激波,并且以与涡脱泻Strouhal数一致的特征频率向上游传播。激波运动导致流场中出现反对称的流动模态,剪切层中压力信号的功率谱曲线中存在0.4、-1和-5次方的斜率关系,剪切层中的剪切应力角约为0°,脉动速度以流向脉动速度为主,并且沿剪切层的大尺度结构组织性减小。     

自由剪切层中的三维不稳定性

本文是在文[1]的基础上研究自由剪切层中由Kelvin-Helmholtz不稳定波发展而形成的展向大涡结构的三维不稳定性。以大涡结构为基本流动,将稳定性分析归结为二维特征值问题,用pseudo spectral(伪谱)方法数值求解。研究发现:在没有亚谐波存在的情况下,大涡结构的最不稳定的扰动波是流向波长和其相同。展向波数较高,有对流特性的三维扰动波。它在剪切层中的发展与展向涡量的分布有关,大涡结构的涡核不稳定性和辫子不稳定性是流向涡形成的主要力学机制。本文还给出了不同雷诺数下三维扰动波增长率与展向波数的关系,这些结论与实验及数值模拟结果基本一致。     

DBD涡流发生器及其在角区流动控制中的数值研究

为明确介质阻挡放电(DBD)涡流发生器对马蹄涡的影响,在采用唯象模型的基础上,通过数值方法研究了DBD涡流发生器诱导产生流向涡的结构特性及其对马蹄涡的控制特性。研究结果表明,流动在激励器上游边缘处形成羊角涡,自由剪切层卷入流向涡的涡核并为其提供持续涡量;在柱体根部角区流动中,当对称面两侧激励器诱导流动指向对称面,诱导涡与马蹄涡环绕方向相反时,马蹄涡可以得到有效抑制,反之,则控制效果不佳。最后得出,诱导涡对下游马蹄涡的控制机制体现在其黏性扩散作用、掺混作用以及低压效应3个方面。     

边条翼前缘涡非定常涡场特性研究中PIV技术的应用

描述了应用PIV技术在水槽中对边条机翼上旋涡及破裂旋涡流场进行的测量和分析。实验是在北航水槽中进行的。通过PIV技术的测量，揭示了旋涡及破裂旋涡中的非定常特性，这种非定常特性同飞机上机翼、尾翼的抖振密切相关。实验结果表明，对于未破裂的边条涡，存在着两种非定常特性，其一是剪切层中不断地有小涡沿剪切层输运和合并。其二是由一次涡诱导的二次涡与剪切层中的小涡互相诱导引起的非定常现象。对于破裂涡，则发现与未破裂的涡相比，截面上涡量分布的区域突然扩大很多，最大涡量的绝对值也比上游未破裂区截面上的涡量最大值小。此外还发现在涡量分布区域出现反涡量，这同涡破裂后出现涡核螺旋变形有关。对于同一截面处涡量分布是非定常的。     

亚声速等膨胀方管射流轴置换现象的数值研究

基于可压缩Navier-Stokes方程,采用大涡模拟方法与高精度WENO/TCD混合格式,对Ma=0.6的亚声速等膨胀方管射流的初始流场进行了数值研究。数值结果清晰地描述了初始主涡环的形成与三维演变过程。方管射流具有平面管与圆管射流的一般流场特征,但方管周向曲率的不一致导致轴向流动速度不均匀,使方形主涡环出现复杂的Biot-Savart自诱导变形,并在方形涡环截面上诱导形成4对反向流向涡对。在主涡环的Biot-Savart自诱导变形与流向涡对的诱导速度共同作用下致使主涡环截面形状相对于初始时旋转45°,完成轴置换。另外,在亚声速等膨胀射流中,流向涡对的诱导速度在轴置换中占主要作用。     

波瓣混合流场流向涡的数值分析

借助N-S方程对波瓣喷管混合装置的流场进行了数值分析。采用三维贴体曲线坐标,非交错网格法和K－ε两方程湍流模型,对波瓣喷管内外两侧的气流通道及波瓣喷管下游的混合段流场统一进行了数值计算。得出了速度场和流向涡及正交涡的分布,并对流向涡的发展规律及其对正交涡分布规律的影响作了分析。并对混合管壁面的压力分布和出口速度型与实验值进行了比较。     

燃料分级对旋流火焰的动态特性影响研究---“两机”专刊

为深入研究分级旋流火焰特性,本文以分级旋流模型燃烧室为研究对象,对四个不同燃料分级比(FSR)条件下的分级旋流火焰进行了数值研究,在时均燃烧场特性分析的基础上进一步对燃料分级比为1和3两个工况进行了大涡模拟(WMLES)研究。结果表明：燃料分级比的改变会影响中心回流区(CRZ)的长度和宽度。燃烧室中截面的散点分布图能够显示出不同燃料分级比条件下的燃烧特征。燃料分级比为1时,燃烧室剪切层仅存在零散的涡破碎区;而燃料分级比为3时,伴随涡破碎区还出现了单螺旋分支进动涡核(PVC)。通过FFT变换获得的燃烧室内剪切层速度能谱主频与进动涡核的旋转频率相同,表明内剪切层速度脉动的产生与进动涡核有关。另外进动涡核会使流场内的燃料分布和燃烧模式发生周期性的变化,进而影响燃烧过程。调整燃料分级比在1附近,能够使分级火焰达到稳定燃烧降低排放的目标。     

亚声速旋拧射流噪声中的温度效应

采用大涡模拟（LES）方法模拟亚声速旋拧射流,着重考察温度效应对旋拧射流近场流动演化过程、湍流脉动空间发展和远场噪声的影响。线性稳定性分析表明,旋拧射流中提高射流中心温度会增加剪切层的扰动增长率;数值结果显示,加热会促进剪切层中大尺度结构的产生及相互作用,促使流动更快进入湍流状态,并缩短射流势核区的长度。在初始层流发展阶段,加热会提高中心线上的流向速度脉动峰值,但是对剪切层中的流向速度脉动峰值几乎没有影响;在湍流发展阶段,提高射流中心温度会提高流向速度脉动衰减率,并降低脉动幅值。此外,在非等温射流中,密度脉动幅值要远高于等温射流。在30°方位角附近,等温射流的总声压级幅值最高,冷射流的噪声幅值最低。方位角大于50°时,加热使总声压级降低,且随着方位角幅值的增大,降低越明显;而冷却则会提高总的声压级幅值。     

波瓣喷管引射-混合器涡结构的数值研究

通过波瓣喷管引射-混合器的流场三维数值计算,得到了流向涡和正交涡产生、衰减的演变以及对混合效率的影响规律,进一步揭示了波瓣喷管有利于强化引射能力和混合效率的内在机理.结果表明:喷管出口流向涡的尺度基本与波瓣的高度相当,流向涡可以诱发主流和次流之间强烈的对流混合,在喷管下游一倍混合管直径的混合距离内强化混合作用显著,随着流向涡向下游发展,涡强衰减迅速;正交涡具有与波瓣尾缘一样的几何外形,在混合管下游,由于主流和次流之间的速度梯度下降,正交涡的强度显著降低,对强化混合的影响不大.     

波瓣混合器涡系结构及射流掺混机理的数值研究

借助流体力学软件ANSYS CFX,对波瓣混合器射流掺混流场进行了全三维定常数值模拟,研究了流场中各涡系结构的形成机理及发展过程,并详细探讨了其加速射流掺混过程的作用机制.结果表明:基于SST(shear stress transport)模型的封闭N-S方程能较好地模拟波瓣混合器射流掺混过程,波瓣特殊几何外形诱导产生的流向涡主要通过扭曲内外涵交界面的间接方式加速射流掺混过程,波瓣下游剪切层中K-H(Kelvin-Helmholtz)不稳定性发展而成的正交涡是直接加速射流掺混的关键因素,波谷附近二次流之间的相互作用所产生的通道涡对该区域内的射流掺混有明显的加速作用,受波瓣前缘切割的边界层在径向压力梯度作用下沿波瓣表面卷起而形成的马蹄涡对射流掺混的影响不是特别明显.      

利用PIV技术对非光滑表面湍流边界层的实验研究

利用在线式 Ｐ Ｉ Ｖ 系统在低速风洞中对两种非光滑表面：阵列涡发生器表面和波纹壁面的湍流边界层进行了实验测量。观察到了壁面几何形状的改变对非光滑表面湍流边界层拟序结构的产生和发展的影响：阵列涡发生器表面（１０ｍ ／ｓ）湍流边界层内有明显的双剪切带状结构,外剪切带状结构接近边界层的外边界,小尺度的涡在内剪切带状结构的附近产生;波纹壁面（２０ｍ ／ｓ）湍流边界层内涡的尺度比较小。并在相同的壁面几何形状条件下,在不同的流动工况下,研究了非光滑表面对湍流边界层拟序结构的影响。实验结果表明,壁面几何形状的改变对外层的大尺度横向涡的产生和发展有明显的影响;而这种影响效果在不同的流动工况下相差很大。     

微波瓣燃烧器中流向涡混合数值研究

为了检验波瓣喷管下游流向涡能否促进燃烧, 对尺度为毫米量级的微波瓣喷管混合燃烧器中流向涡的行为进行了数值模拟研究.研究发现, 微波瓣喷管燃烧器中远没有微波瓣喷管混合器中非常强烈的流向涡形成和发展, 造成差别的根本原因在于本该形成流向涡的主次气流接触界面变成了燃烧火焰的锋面, 燃烧反应气流体积的急剧膨胀使流向涡环量迅速耗散衰减.另外, 流场计算结果显示在4波瓣和8波瓣微喷管燃烧器中主次流接触初期有较明显的流向涡生成、发展和很快消失, 而在12波瓣微喷管燃烧器中基本没有明显的流向涡形成和发展.但是, 对比模拟表明, 在同样边界条件下12波瓣微喷管混合器中却有非常明显的流向涡的形成和发展.      

Overview of the self-sustaining mechanisms of wall turbulence

This paper reviews the ideas about why wall turbulence is self-sustaining. The paper is to distribute this information to fluid dynamists who are nonspecialists in turbulence. The production of turbulence and Reynolds stress centers on vortices and “streaks” of low speed fluid near the wall. There are two main categories of self-sustaining mechanisms. In one category, parent vortices interact with the wall and produce offspring vortices. In the second category, workers view the mechanisms as instabilities. Streak velocity profiles, profiles where low velocity fluid has accumulated in long streamwise regions of small spanwise extent, are unstable. These regions are caused by streamwise vortices in the near-wall region. The most dangerous perturbation is a sinuous streamwise mode. The mode may be a normal mode or a transient-growth mode. Ultimately the nonlinear development produces a streamwise vortex. In turn, the vortex can reproduce the streak profile. A third category is based on a common mathematical approach. The goal is to construct a low-order dynamical system of differential equations that display the elemental processes of turbulence.     

基于全局线性稳定性分析的翼尖双涡不稳定特征演化机理

相比于机翼产生的孤立翼尖涡,加装小翼之后的翼尖涡表现出双涡甚至多涡结构,并且呈现出更加复杂的不稳定特征。为揭示翼尖双涡结构不稳定特征及其演化机理,采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和全局线性稳定性分析（LAS）方法对不同雷诺数和攻角下带双叉弯刀小翼的M6机翼产生的翼尖涡结构在尾迹区的不稳定特征进行研究。试验结果表明,对称布置的双叉弯刀小翼产生的翼尖涡包含上/下小翼产生的主涡（上/下主涡）结构,两者构成近似等强度的同转涡对,在相互靠近的同时以20 rad/s的角速度相互缠绕。对上/下主涡瞬时涡核位置的统计分析表明,翼尖涡摇摆幅值随流向位置逐渐增大,随雷诺数的增加而增大,随攻角的增加先增大后减小。对16倍弦长的尾迹截面处的翼尖双涡结构进行全局时间稳定性分析,不同工况下,上/下主涡最不稳定模态（模态P/模态S）的稳定性曲线变化规律与摇摆幅值的变化规律相一致,表明翼尖涡的摇摆源自于其内在的不稳定性特征。增加流向扰动波数,发现模态P切向波数逐渐增加;而模态S则是径向波数逐渐增加。不同工况下,模态P的切向波数为5~6,扰动波数分布在[2.75,5]的区间内,所对应的不稳定放大率均大于模态S,而不稳定放大率最大的模态扰动范围作用在上主涡的整个涡核区域,表明这种大切向波数的扰动模态在翼尖涡流控中的潜在价值,也意味着加装小翼会增加涡结构的个数,增强不稳定性的发展,有助于翼尖涡的快速失稳衰减。     

基于线性稳定性分析的翼尖涡摇摆机制

在涡不稳定性特征的影响下，翼尖涡会在尾迹中发生摇摆运动。为了揭示翼尖涡摇摆的本质原因以及发展机理，采用体视粒子图像测速（SPIV）技术和线性稳定性分析方法对不同雷诺数和迎角下NACA0015等直翼产生的翼尖涡在尾迹区的不稳定性特征及发展进行研究。结果表明：在1~6倍弦长的尾迹区内，翼尖涡存在摇摆现象，摇摆幅值随流向放大，且摇摆运动沿流向逐渐呈现出各向异性特征；在大迎角条件下，翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快。采用线性稳定性分析方法，定量化分析翼尖涡的稳定性、空间/时间不稳定性放大率和扰动频率随流向的发展过程。结果显示，在雷诺数2.1×10⁵~3.5×10⁵范围内，翼尖涡均处于临界稳定状态，扰动频率为3~5 Hz。基于线性稳定性分析结果，发现在大迎角条件下翼尖涡时间/空间不稳定性放大率更大，解释了当迎角增大时翼尖涡摇摆幅值随流向增长更快的现象。另外，由线性稳定性分析得到的最不稳定模态显示翼尖涡的横向速度扰动具有明显的方向性，从而诱导翼尖涡产生摇摆运动；速度扰动方向的周期性变化则使翼尖涡摇摆区别于一维的随机振荡，而是表现为在各方向均含有分量且具有主频的摇摆运动。这种由不稳定性导致的速度扰动是翼尖涡摇摆的内在机制，其不稳定性放大率控制着摇摆幅值的增长速率，而其横向速度扰动的方向性与周期性则决定了翼尖涡的摇摆特征。     

近失速状态下压气机转子叶尖旋涡流动研究

在低速大尺寸单级压气机实验台上,利用SPIV技术测量了近失速状态下压气机转子尖区多个截面的三维瞬态速度场。基于瞬态场测量结果,详细阐述了近失速状态下压气机转子叶尖泄漏涡的演化过程和角区旋涡的形成过程。测量结果表明角区旋涡是一种总体意义上的旋涡,其涡核是由多个涡团组成的,形成角区旋涡的一个关键机制是压气机的旋转运动对源于近吸力面的正负涡量的涡团具有选择性。     

空间发展混合流的大涡模拟

采用大涡模拟方法数值模拟了空间发展混合流，通过在平均流中引入小扰动，研究了混合流大涡结构的产生和演化过程，捕捉了展向涡的卷起、配对、合并，以及二次流向涡的出现等大尺度的三维拟序结构。与实验及直接数值模拟的结果相比，吻合程度较好，表明本文所采用的LES方法对湍流的数值模拟是切实可行的。